§ 4. Сварка и резка металлов

Процесс получения неразъемных, соединений путем местного нагрева кромок соединяемых конструкций и с использованием сил молекулярного сцепления называется сваркой.

Сварка очень широко распространена. Не только в машино­строении, но и в строительстве, сельском хозяйстве, на транс­порте — всюду сварка используется как для соединения деталей и конструкций, так и для ремонта многих частей машин, сооруже­ний и аппаратов,

Сварка по источникам тепла для нагрева свариваемых дета­лей разделяется на химическую и электрическую.

Очевидно, что тепло при химической сварке выделяется в ре­зультате протекания экзотермических реакций. Это могут быть реакции окисления, восстановления, соединения и т.п.

При электрической сварке используется тепловое действие тока.

К химической сварке относятся горновая (кузнечная), тер­митная и газовая.

Горновая (кузнечная) сварка состоит в том, что две соеди­няемые детали, изготовленные из нехрупкого металла (сталь), нагреваются до пластичного состояния в нагревательной печи (кузнечном горне), а затем наложенные друг на друга внахле­стку проковываются молотом. Во время проковки происходит диффузия частиц одной детали в поверхностные слои другой, чем и обеспечивается соединение деталей. Горновая сварка при­меняется при ремонте машин в небольших ремонтных мастерских, чаще всего сельского типа.

Термитная сварка осуществляется благодаря тому, что при реакции, протекающей в смеси порошка алюминия или магния с порошком железной окалины (термит), температура подни­мается до 3000° С. При такой высокой температуре кромки сва­риваемых деталей сплавляются, а при остывании затвердевают как одно целое.

Термитная сварка используется для сварки массивных, балок и рельсов. На соединенных стыках свариваемых балок формует­ся ванночка из огнеупорного материала. В этой ванночке, в которую засыпают термит, и протекает процесс сварки.

Газовая сварка — наиболее широко распространенный вид химической сварки.

При газовой сварке тепло выделяется при сгорании горючего газа, каковым обычно является ацетилен (С₂Н₂). Реакция сго­рания ацетилена протекает следующим образом:

^С₂^Н₂ ^{+ 2,5О}₂ ^{= 2СО}₂ ^{+ Н}₂^{О + 13 700 кал/м3.}

Очевидно, что сварка может осуществляться в том случае, если в зону горения будет подаваться достаточное количество ацетилена и кислорода.

А цетилен и кислород к месту сварки доставляют в спе­циальных баллонах (рис. 155), где эти газы находятся под большим давлением. В горелку 1 газы подаются под го­раздо более низким давлением. Снижение давления газов осуще­ствляется при помощи редукторов 4 и 6. Принципиальная схема редуктора представлена на рисунке 156. Газ под большим дав­лением через входной канал 3 входит в полость над клапаном 2 и, действуя на нижнюю плоскость клапана, помогает главной пружине 8 приподнять клапан над его седлом. Как только кла­пан приподнимется, газ устремляется в полость над мембра­ной 6 и через канал 5 к горелке. В то же время давление на мем­брану по мере поступления газа будет непрерывно повышаться, и в не­который момент его сила достигнет такой величины, что, преодолев упругость пружины 8, опустит кла­пан 2, связанный штоком 4 с мембра­ной 6. По мере вытекания газа из полости мембраны пружина 8 снова приподнимет клапан 2 и новая порция газа поступит к горелке. Так поддерживается определенное давление газа, вытекающего через канал 5 к сварочной горелке. Винтом 9 можно регулировать натяжение пружины 8 и, следовательно, давление газа, выходящего из редуктора.

Сварочная горелка (рис. 157) представляет собой прибор для образования горючей смеси ацетилена с кислородом и регулирования интенсивности пламени. Кислород поступает в сужающийся канал-инжектор и из него с большой скоростью вытекает в смесительную камеру, создавая в то же время у устья инжектора (входа в смесительную камеру) большое разряжение. Под действием разрежения в смесительную камеру засасывается ацетилен, заполнивший ацетиленовый канал. Горючая смесь по трубке наконечника попадает в мундштуку, около которого воспламеняется и сгорает.

Рис.157. Схема устройства и действия сварочной горелки:

1 — мундштук; 2 — трубка наконечника; 3 — смесительная камера; 4 — инжектор; 5 — ацетиленовый канал.

И нтенсивность пламени зависит от диаметра мундштука, а вид пламени - от соотношения в нем кислорода и ацетилена. При соотношении

пламя называется нейтральным (нормальным). Схема нормаль­ного пламени и распределение температур в нем показаны на рисунке 158. Пламя, даже нор­мальное, неоднородно по своей длине, температуре и по качест­ву. Так, в ядре 2 самая низкая температура, а зона 4 является окислительной.

Процесс газовой сварки осуществляется следую­щим образом (рис: 159). Кром­ки свариваемых листов 1 ме­талла зачищают и выравни­вают. В случае большой тол­щины листов на кромках де­лают скосы под углом 45—60°. Листы сближают между со­бой, оставляя между ними зазор в 1, 5 – 3 мм.

Рис.159.Схема газовой сварки:

1 — свариваемые листы; 2 — присадочный металл; 3 — горелка.

Зажигание сварочной горелки производится в таком порядке: слегка открывают кислородный вентиль, затем на целый оборот – ацетиленовый; к мундштуку подносят спичку и зажигают вытекающую горючую смесь. При помощи кислородного вентиля регулируют пламя до нормального.

Пламенем сварочной горелки прогревают кромки сваривае­мых листов и вводят пруток присадочного металла. По мере оплавления кромок и прутка, а также заполнения шва металлом горелка с прутком перемещаются вправо (правая сварка) или влево (левая сварка).

При помощи кислородно-ацетиленового пламени можно не только сваривать металл, но и разрезать его.

Газовая резка применяется при ремонтных работах, а также для изготовления заготовок и производится резаком, пред­ставляющим собой горелку, дополненную некоторыми приспособлениями (рис. 160).

Рис. 160. Схема устройства и действия газового резака.

Р езка металла осуществляется путем сжигания металла в струе кислорода. Для того чтобы металл начал гореть в струе кислорода, его подогревают до температуры воспламенения. Вот почему в устройстве резака имеется обычная сварочная горелка, пламенем которой и подогревают металл до температуры вос­пламенения (добела), и кислородный канал, подающий кисло­род, необходимый для сжигания разогретого металла.

Различные металлы по-разному поддаются газокислородной резке. Лучше всего разрезается малоуглеродистая сталь. Для многих цветных металлов и легированных сталей аппаратура и технология резки значительно сложнее.

Во многих случаях ацетилен, необходимый для газовой свар­ки и резки, получают из карбида кальция СаС₂ прямо на месте производства работы. Для этого применяются различной кон­струкции ацетиленовые генераторы. Во всех генера­торах используется реакция карбида кальция с водой

^СаС₂ ^{+ 2Н}₂^{0 = Са (ОН)}₂ ^{+ С}₂^Н₂^.

Схема устройства одного из генераторов представлена на рисунке 161. Вода через шланг 7 поступает в реторту 3, а образовавшийся ацетилен через трубку 10 наполняет коло­кол 2 и поднимает его над уровнем воды в корпусе 1. Шланг, 7, связанный с колоколом, по мере его подъема выходит из воды, и реакция в реторте зату­хает. Когда часть ацети­лена будет израсходова­на, колокол 2 опустится и по шлангу 7 в реторту 3 снова поступит вода. Ре­акция возобновится.

Газ из генератора ступает в сварочную горелку через затвор 5, который предохраняет гене­ратор от проникновения пламени, из горелки под колокол и, значит, от взрыва. Уровень воды в затворе должен быть все­гда достаточным и перио­дически проверяется пу­тем отвертывания конт­рольной пробки.

К электрической сварке относится электродуговая и контакт­ная сварка.

Э лектродуговая сварка осуществляется за счет теплоты, вы­деляемой электрической дугой. Температура дуги достигает у ее оси 6000° С. Дуга образуется тогда, когда свариваемый металл присоединяется к одному полюсу, а электрод к другому полюсу источника тока (рис. 162). Для зажигания дуги необходимо напряжение 50 – 60 в. Как только дуга буде зажжена, для ее поддержания достаточно напряжение 20 – 30 в.

Для сварки используется постоянный и переменный ток, а в качестве электродов применяются угольные и металлические стержни.

При использовании для сварки постоян­ного тока часто приме­няется угольный электрод, который присоединяется к отрицательному полюсу источника тока. Изделие присоединяется к положительному полюсу, и сварка в этом случае называется сваркой при прямой полярности. Сварка при помощи угольного электрода требует для заполнения шва присадочного материала в виде прутка, расплавляемого в дуге.

Массовое распространение получила элек­тродуговая сварка на переменном токе металлическим электродом.

В этом случае установка (рис. 163) для сварки присоединяется к силовой сети переменного тока. Установка состоит из понижающего трансформатора 1, дающего на выходе напряжение 55 – 65 в и силу тока до 300 а (в зависимости от нагрузки), и реактора-дроселля 2. Реактор-дроссель дает возможно плавно регулировать силу сварочного тока путем изменения воздушного зазора между шунтом 4 и сердечником 5.

Рис. 163. Схема установки для сварки переменным током:

1 — трансформатор; 2 — редактор-дроссель; 3 — сварочный пост; 4 — шунт; 5 — сердечник.

При электродуговой сварке происходит очень яркое свечение дуги и разбрызгивание металла, а поэтому сварщики пользуются специальными защитными приспособлениями – щитком или шлемом.

Качество сварного шва в огромной мере зависит от технологии сварки. Так, при сварке голым электродом расплавленный металл легко соединяется с кислородом и азотом воздуха и образует хрупкий, пористый шов. Поэтому электроды для сварки приготавливают заранее из металлической проволоки диаметром 2 – 12 мм. Из проволоки нарезают стержни длиной 350-450 мм, и на их поверхность наносят специальную обмазку. В состав обмазки входят вещества, позволяющие избежать тех вредных последствий, которые дает сварка голым электродом. Толщина обмазки колеблется от 0,1 до 2 мм.

Диаметр электрода выбирается в зависимости от толщины свариваемых листов. Для листов толщиной до 10 мм обычно применяют электроды диаметром 3-5 мм.

П роцесс электродуговой сварки выполняется не только в ручную, но и автоматизировано. Для автоматической сварки (рис. 164) применяются различная аппаратура и приспособления.

Электродная проволока 1, находящаяся на кассете 6, специальным подающим механизмом 2 подается к шву, где образуется электрическая дуга. Проволока не имеет покрытия – обмазки, поэтому на шов из бункера 3 насыпается слой флюса 4 в виде валика, ограничиваемого передвижными планками. Таким образом, дуга горит, а металл плавится под слоем флюса. Вот почему такой способ сварки получил название автоматической сварки под слоем флюса. Вся аппаратура для автоматической сварки смонтирована на движущейся вдоль шва тележке. Часто перемещается относительно сварочной аппаратуры свариваемый ме­талл, установленный на подвижном приспособлении.

Автоматическая сварка под слоем флюса — очень производительный процесс, обеспечивающий получение высококачествен­ного шва.

Применяются и дру­гие виды дуговой сварки, которые имеют специаль­ное назначение, напри­мер электрошлаковая сварка толстых заготовок или деталей (толщиной до 500 мм) под слоем флюса, сварка под во­дой и т. п.

Ш ироко применяется для создания конструкций из листового и профильного металла электроконтактная сварка. Электроконтактная сварка осуществляется подобно кузнечной: путем местного нагрева и сдавливания. Для нагрева детали, наложенные друг на друга, сжимаются между электродами 2 сварочной машины (рис. 165). На свариваемых листах 1 в месте их сдавливания происходит быстрый местный нагрев и соединение в виде сварочной точки 3. Точечная сварка широко используется в автомобилестроении для сварки кузовов автомобилей и в строительстве для сварки стержневых каркасов и сеток, служащих арматурой при изго­товлении железобетонных из­делий.

Е сли вместо стержневых электродов применить два ро­лика и сжать между ними сва­риваемые листы, а затем, про­пустив ток, привести листы в движение, то будет иметь место шовная контактная сварка (рис. 166). Очевидно, что шовную сварку всегда необ­ходимо применять вместо точечной, когда должна быть достиг­нута большая плотность соединения, например при изготовлении баков, резервуаров.

Р азновидностью контактной сварки является стыковая (рис. 167). Для соединения двух стержней 1 встык их устанав­ливают в зажимы сварочной машины и, включив ток, сближают. При соприкосновении торцы стержней из-за большого сопротив­ления нагреваются электрическим током до пластического со­стояния и при сдавливании образуют прочный шов 2.

В отличие от точечной и шовной сварки, где теплота, выде­ляемая при пропускании электрического тока, лишь, размягчает свариваемые детали для их соединения в пластичном со­стоянии, при стыковой свар­ке часто происходит оплав­ление торцов.

К онтактная свар­ка производится на специальных сварочных машинах все возможных конструк­ций. Схема машины для точечной сварки приведена на рисунке 168. Сжатие свариваемых деталей между электродами / производится при помощи педали 2. Одно­временно с сжатием электро­дов при помощи специального устройства 4 включается в работу трансформатор 3. Степень сжатия электродов регулируется натяжением пружины 5, а сила свароч­ного тока — перестановкой перемычек на панели 5.